Stale drobnoziarniste (stale niskostopowe ulepszone cieplnie) są nowoczesnymi stalami przeznaczonymi na konstrukcje spawane. Stale te charakteryzują duże wartości granicy plastyczności (Re 500 do 1500 Mpa), duża wartość udarności, niska przejściowa temperatura kruchości i dobra spawalność. Służą do wytwarzania dźwigów, mostów, zbiorników ciśnieniowych, rurociągów, części maszyn budowlanych i drogowych, elementów budynków, wież, platform morskich, kadłubów statków i okrętów, obudów górniczych itp.
Ryszard Jastrzębski
W 1977 r. Japonia była krajem najbardziej rozwiniętym w produkcji stali drobnoziarnistych o bardzo dużej wytrzymałości /3/. W tabeli 1 zestawiono parametry wytrzymałościowe stali japońskich, polskich, europejskich i amerykańskich.
W przypadku stali HT50 wytrzymałość zwiększa się przez dodatki stopowe i w wyniku normalizacji. Stal JIS SM 50 Y stabilizowana niobem jest w wielu krajach wykorzystywana w rurociągach i w konstrukcjach przybrzeżnych i morskich. W USA do produkcji statków i konstrukcji oceanicznych wykorzystuje się stal typu Vanity. Stale WT60H, Fortiweld i HSB 55C pomimo niskiej udarności i ryzyka powstawania karbu nadają się do obrabianych plastycznie na gorąco konstrukcji z grubych blach. Aby uzyskać dobrą spawalność i udarność, powyżej wytrzymałości na rozciąganie 637 MPa, należy zastosować stale ulepszane cieplnie typu HT60 i HT100. Stal HT60 to ulepszona cieplnie stal HT50 typu Mn-Si (hartowana w wodzie i odpuszczana w 600-650 °C). Dodając do czystej stali typu HT50 niewielkie ilości Ni, Mo, Cu, V, B można uzyskać stosowane w konstrukcjach budowlanych, w zbiornikach ciśnieniowych, magazynowych, mostach i konstrukcjach wielkogabarytowych stale HT70, HT80 i HT100.
Pionierską stalą wysokowytrzymałą ulepszaną cieplnie była stal amerykańska T1 (w Polsce stal 14HNMBCu produkowana do celów zbrojeniowych w Hucie Stalowa Wola). W Osace ze stali HT80 zbudowano most o rozpiętości pomiędzy filarami 510 m. Stal HY80 ze względu na bardzo dużą udarność w niskich temperaturach wykorzystywana jest w łodziach podwodnych /3/.
Stal N-TUF33, która ma udarność niskotemperaturową porównywalną ze stalą 2,2% Ni i ma tę zaletę, że jest bardzo dobrze spawalna i jest szeroko stosowana na zbiorniki LPG (-45 °C). Do zbiorników na ciekły gaz ziemny (-162ºC) musimy stosować stal 9% Ni lub stopy aluminium 5083.
Obok stali drobnoziarnistych z obróbki cielnej i mikrostopowych huty szwedzkie produkują stale termoplastycznie walcowane typu WELDOX o znacznie niższym równoważniku węgla.
Skład chemiczny stali ma duży wpływ na temperaturę przejścia w stan kruchy. Temperaturę przejścia w stan kruchy zwiększają: C, P, Mo, V, N, O, S, a pierwiastkami zmniejszającymi temperaturę przejścia w stan kruchy są: Mn, Ni, Ti, Al, Nb; pierwiastki Si, Cu, Cr nie mają na nią wpływu. Jeżeli przy spawaniu ręcznym z zakosami w pozycji pionowej do góry stali HT80, podwyższymy energię liniową do poziomu takiego jak dla stali miękkich, czyli od 60-80 kJ/cm, to wartość udarności spadnie do poziomu 30 J. Dlatego należy wiernie przestrzegać ograniczeń dotyczących energii liniowej.
Temperaturę przejścia Tr15 dla linii wtopienia dla stali od HT50 do HT80 da się przedstawić następującym wzorem /3/:
Tr15(o C) = 400Ceqv– ⁴/₅(m+¹/₂β)–50
Ceqv=C+¹/₄₀Mn–¹/₂₀ Ni + ¹/₂₀Cr+ ¹/₈Mo
m – to martenzyt (w %)
β – to dolny bainit (w%)
Aby w pełni wykorzystać wysokie własności wytrzymałościowe tej grupy stali, należy przestrzegać wytycznych producentów stali i norm przedmiotowych np.: SEW-088 począwszy od fazy konstruowania, poprzez dobór odpowiednich zabiegów technologicznych, do ścisłego ich wykonywania w warunkach produkcji. Zabiegi technologiczne, na które należy zwracać szczególną uwagę to: cięcie termiczne, przeróbka plastyczna na zimno i w podwyższonych temperaturach oraz proces spawania obejmujący podgrzewanie wstępne, sczepianie, spawanie i wygrzewanie po spawaniu. Grupa stali drobnoziarnistych jest wrażliwa na pękanie na zimno, w związku z czym musimy przy przeróbce tych stali stosować odpowiednie zabiegi, aby się przed tym zabezpieczyć.
Zabiegi technologiczne, które to zapewnią, to /5/:
- po cięciu termicznym sprawdzić penetrantem czy nie ma rozwarstwień /5/
- podgrzewanie osuszające w temperaturze 80 °C (propanem powyżej 100 °C) /5/
- po każdym ściegu należy odczekać, aby temperatura międzyściegowa spadła poniżej 250 °C /5/
- spoiny sczepne należy wykonać 2 ściegami o długości ~100 mm /5/
- wytrzymałość stopiwa pierwszego ściegu powinna być niższa od wytrzymałości stopiwa pozostałych ściegów /5/
- w spoiwie nie może być pierwiastków mikrostopowych występujących w stali: niobu, wanadu i tytanu. Powinien być molibden, nikiel, ewentualnie bor
- spawanie elektrodami niskowodorowymi (pakowanymi próżniowo) ściegami prostymi o szerokości mniejszej od 12 mm, z ograniczeniem energii liniowej łuku do 1 000 J/cm na każdy mm grubości blachy (do 20 mm); w Japonii przy spawaniu stali HT80 dla grubości 6 do 12 mm energia liniowa nie powinna przekraczać 25 kJ/cm, dla grubości 13 do 19 mm nie powinna być większa od 35kJ/cm, a dla grubości 26 do 50 mm nie powinna przekraczać 48kJ/cm /3/
- utrzymywanie temperatury międzyściegowej, do 25mm: od 150 °C, powyżej 25 mm: do 180 °C
- wygrzewanie po spawaniu w temperaturze 200 – 280 °C, dla grubości powyżej 30 mm przez 2h, a w przypadku grubej blachy bezpośrednio po spawaniu zaizolować na szerokości 150 mm od ściegu w każdą stronę /5/
Nowe technologie związane z budową konstrukcji rurowych o dużej rozpiętości
Spawanie konstrukcji rurowych wymaga od firm coraz to nowych umiejętności. W przypadku spawania blachy do rury w węźle konstrukcyjnym podczas robienia przetopu od strony blachy powstanie karb. Zważywszy na to, że stale S460, S690, S890 są bardziej narażone na działanie karbu, aby tego uniknąć, należy zastosować szczelinę 5 mm (jak pokazuje rys. 1) i najpierw wykonać napoinę, a poźniej przetop do wcześniej wykonanej napoiny. Jeżeli rura ma dużą grubość to, przy fazowaniu na 1/2 V dysza do MAG opiera się o rowek i wolny wylot elektrody wynosi powyżej 25 mm. 
Tak duży wolny wylot elektrody przy tradycyjnym spawaniu MAG powoduje przyklejenia. Aby zapobiec przyklejeniom, należy do przetopu stosować drut proszkowy metaliczny lub funkcję coldArc, a do wypełnienia drut proszkowy rutylowy szybko krzepnący lub spawarkę z funkcją forceArc (rys. 1). Warto też zwrócić uwagę na inne parametry spawania drutem proszkowym i spawarkami elektronicznymi firmy EWM.
W przypadku spawania konstrukcji rurowych platform wiertniczych i konstrukcji stadionów niemałą trudność sprawia uznanie technologii i uprawnienie spawaczy do spawania złączy rozgałęzionych pod kątem 30 stopni (rys. 2). 
Ze znanych metod spawania tylko spawarki z głębokim wtopieniem umożliwiają spawanie z rowkiem 30 stopni zamiast 60 stopni i przy wolnym wylocie elektrody do 50 mm. W przypadku drutów proszkowych trzeba stosować specjalny zabieg napawania ząbka na ściankach rury, aby lokalnie kąt rowka wynosił 60 stopni.
Kiedyś, gdy w tradycyjnych spawarkach prąd był proporcjonalny do prędkości topienia drutu, do obliczania szerokości strefy uplastycznienia nie musieliśmy brać pod uwagę ciepła topienia i o szerokości strefy naprężeń spawalniczych (naprężeń równych granicy plastyczności) wg naukowców decydowała energia liniowa.
Jednakże spawacze rafinerii wiedzieli, że skrócenie łuku (obniżenie napięcia) i topienie większej ilości drutu obniżało temperaturę jeziorka, co objawiało się złotym nalotem spoiny nierdzewnej przy napięciu 8V, zamiast czarnego nalotu przy klasycznym napięciu TIG 15 V. Dzisiaj, gdy przez zastosowanie elektroniki spawarek bez zmiany napięcia i prądu możemy zmieniać posuw drutu, czyli odbierać z jeziorka spawalniczego więcej ciepła topienia, trzeba wprowadzić pojęcie idealnej, spoiny czyli rowka z nadtopionymi krawędziami zalanego metalem o temperaturze topnienia. Taką idealną spoinę określa energia potrzebna do stopienia kilograma drutu, czyli stosunek energii liniowej do przekroju spoiny ściegu spawalniczego (rys. 2). 
Zwiększenie przekroju spoiny uzyskujemy przez wzrost szybkości stapiania drutu (prąd zmienny prostokątny niesymetryczny; drut proszkowy) lub przez zwiększenie głębokości wtopienia.
Jak pokazano na rysunku 2 przyczyną problemów przy klasycznym spawaniu jest narastanie prądu zwarcia i gwałtowny wzrost mocy w wyniku wzrostu napięcia po zajarzeniu łuku. Objawia się to wyrzucaniem kropli wywołując niestabilność osłony gazowej oraz przegrzaniem jeziorka spawalniczego.
Receptą na to jest automatyczne elektroniczne obniżenie prądu po zajarzeniu łuku w metodzie coldArc (stosowanej do wykonywania przetopu przy szczelinie do 12 mm) i obniżanie napięcia przy wzroście prądu w metodzie forceArc, stosowanej do spawania złączy teowych stali S690 i S890 dźwignic i naczep.
Zmniejszenie napięcia skraca łuk i podobnie jak przy spawaniu TIG stali austenitycznych, zwiększa wtopienie i szybkość stapiania drutu, którego krople chłodzą łuk zawężając go i ponownie zwiększając głębokość wtopienia nawet do 8 mm, przy spoinie pachwinowej o grubości 3 mm wykonanej metodą ciągnięcia.
Nie zawsze mamy do dyspozycji spawarkę, która kosztuje 11 tysięcy euro. Musimy się wtedy posiłkować klasycznymi metodami jak np. drut proszkowy. Rurka drutu proszkowego ma większą powierzchnię grzania od pełnego drutu, przez co się szybciej topi i zabiera z jeziorka ciepło topienia. Dużo większa ilość metalu w małych kropelkach swoją powierzchnią boczną chłodzi i zawęża łuk, co zwiększa wtopienie-tradycyjnych spawarek i dodatkowo obniża temperaturę jeziorka.
Jak pokazano na rysunku 2 – wykonana metodą forceArc spoina pachwinowa o wymiarze 3 mm daje efektywny przekrój na ścinanie o wymiarze 8 mm. Poza tym technologia EWM daje tak zimne jeziorko, że stopiwo nie miesza się ze stopionym materiałem podstawowym. Trzy razy tańszy drut o granicy plastyczności 460 MPa, w stosunku do drutu o granicy plastyczności stopiwa 690 Mpa, daje przy spawaniu stali S690 wytrzymałość na rozciąganie 740 MPa, nawet przy klasie wadliwości spoin D, wystarczającej do spawania naczep samochodowych.
W przypadku tradycyjnego szczepiania rury ze stali normalizowanej gatunku X52N-API5L, ze względu na możliwość wystąpienia pęknięć w spoinach szczepnych, należy przetop badać metodą magnetyczno-proszkową. Podczas wykonywania przetopu drutem rdzeniowym z wypełnieniem metalicznym gatunku NST MC-R uchwyt należy prowadzić prostopadle do powierzchni rury, lub odchylić go o niewielki kąt w kierunku spawania (rys. 3). Łuk elektryczny należy prowadzić na początku jeziorka. W trakcie wykonania przetopu powinno być cały czas widoczne oczko. Uchwytem wykonujemy ruchy boczne w kształcie łuków. Ze względu na przemieszczanie się ciepła z dołu do góry w pozycji naściennej PC i HL-045, zakosy (ruchy boczne) prowadzimy od rury górnej do dolnej, z przytrzymaniem przy krawędzi rury dolnej i prawie bez przytrzymania przy krawędzi rury górnej. Ciepło przechodząc z dołu do góry powoduje, że krawędź górna szybciej się topi niż dolna. 
Spawanie drutem proszkowym w porównaniu ze spawaniem elektrodą otuloną wymaga bardziej dynamicznych ruchów bocznych (zakosów) i trzy razy szybszego przemieszczania się łuku pomiędzy krawędziami kojarzącego się spawaczom z ruchem szybkiego uciekania z łukiem elektrycznym do dobrze odprowadzających ciepło krawędzi. Zakosy nie mogą być zbyt duże, gdyż wzrost szerokości zakosów zmniejsza prędkość spawania, zwiększa energię liniową i poprzez rozrost ziaren prowadzi do spadku udarności (energia łamania).
W trakcie wykonywania tej operacji należy usunąć kratery, w których najprawdopodobniej powstały mikropęknięcia. Po przetopie należy przeszlifować celem usunięcia cienkiej warstwy tlenków wytwarzanej przy spawaniu drutem metalicznym proszkowym. Występujące nierówności należy wyrównać, aby poprzedni ścieg był w miarę płaski i występujące zagłębienia nie były większe niż maksymalna głębokość wtopienia 3 mm.
Aby dobrze wykonać lico (drutem proszkowym rutylowym gatunku SF3-AM) musimy pozostawić rowek o głębokości 2 mm z ostrymi dobrze, widocznymi w świetle łuku spawalniczego, krawędziami. Wykonywanie ściegów zakosowych w pozycji PF powinno odbywać się w takim zakresie prędkości, że zmiana nie będzie wpływała na wielkość jeziorka, lecz na ilość cieczy pod łukiem, a przez położenie końca elektrody w stosunku do jeziorka można będzie zmieniać ilość ciepła wprowadzanego do materiału (początek, koniec jeziorka).
Bardzo ważne jest pochylenie elektrody w stosunku do krawędzi. Rysunek 4 przedstawia pochylenie elektrody w trakcie wykonywania poszczególnych ściegów w pozycji naściennej. Ponieważ największe wtopienie jest wtedy, gdy oś elektrody jest prostopadła do powierzchni przetapianej ścianki, w celu należytego wtopienia podczas układania ściegów należy przeginać uchwyt na ścianki. Przyjmuje się, że szerokość ściegu nie powinna przekraczać trzech I x 3/40. 
Gdy rura jest pochylona pod kątem 45 stopni należy odejść od naturalnych kierunków pionu i poziomu. Kierunkami odniesienia mają być: prosta prostopadła do ścianki rury, styczna do rury i oś rur. Poprzez zmianę trajektorii ruchu można w sposób ciągły zmieniać grubość warstwy i wyrównywać ściegi. Ze względu na niską temperaturę jeziorka wynikającą z odbierania ciepła przez dużą ilość zimnego stopiwa szybko topionego drutu w kształcie rurki, można w pozycji PF ułożyć znacznie grubszą warstwę niż drutem pełnym i elektrodą zasadową. Ilustruje to rysunek 4. 
W tabeli 2 pokazano przykładowe parametry spawania stali S690 w pozycji przymusowej PH (wg znowelizowanej normy EN287-1) i naściennej PC. 
Zdjęcia (rys. 5 i 6) pokazują praktyczne spawanie blachy węzłowej do rury w pozyci sufitowej oraz uzyskaną spoinę.
Ryszard Jastrzębski
Instytut Łączenia Metali Kraków
fot.: Mariusz Jaworski
Autor dziękuje Hannie Masalskiej za pomoc
w przygotowaniu artykułu.
Literatura:
1. Japan Welding Society: Yōsetsu gakkai-hen, Yōsetsu, setsugō gijutsu tokuron (Metody spawania oraz urządzenia spawalnicze), Shinpan, Wydawnictwo Sanpō, 2008
2. Edmund Tasak: Metalurgia spawania, Patria, Kraków 2008
3. Japan Welding Society: Metalurgia Spawania, Wydawnictwo Sanpō, 1978
4. G. Padula, R. Jastrzębski, J. Nowacki, Z. Latała: Decodificación de los conocimientos prácticos como un paso más hacia la creación de software de apoyo para el análisis microscópico cualitativo de las juntas. Materiały konferencyjne EUROJOIN 6, Santiago de Compostela str. 627- 644
5. R. Jastrzębski: Nadzór i kontrola prac spawalniczych, Materiały szkoleniowe firmy PTPUH Technolkonstrzębski
Co Sp. z o.o., 2002
